| Atoomklokken |
|
|
|
Het juist functioneren van het NAVSTAR GPS vereist hyperfijne tijdmetingen (tot op enkele miljardsten van een seconde). Deze precieze tijdmeting is noodzakelijk omdat een elektromagnetische golf zich verplaatst met een snelheid van zo'n 30 centimeter per één-miljardste deel van een seconde (snelheid van het licht). Dus, elke fout van één-miljardste seconde geeft een navigatiefout van tenminste 30 centimeter. De waarschijnlijkheid dat op zijn minst één van de vier atoomklokken van de Block-II satelliet nog steeds functioneert aan het einde van zijn zeven-jarige missie is berekend op 99,44 procent. Zonder ook hier weer te diep op de materie in te willen gaan, en mogelijk af te dwalen, kan ik toch niet nalaten het navolgende te beschrijven. De exacte tijdmeting is letterlijk van deze tijd. Gedurende de afgelopen 800 jaar is de exactheid verbeterd met tenminste een factor 1012. Van de kaarsen- en waterklokken (+/- 60 minuten per dag) tot de hedendaagse waterstof-atoomklokken die een onnauwkeurigheid kunnen hebben van één seconde op ongeveer zeven miljoen jaar. De NAVSTAR-satellieten hebben vier atoomklokken aan boord om te allen tijden (woordspelingen lijken hier onvermijdelijk te zijn) verzekerd te van hun elementaire functie.
De 50-100 keer meer stabiele (en nu ook compacte) waterstof-atoomklokken zijn intensief bestudeert voor gebruik aan boord van toekomstige GPS-satellieten. Deze klokken laten de satellieten meer autonoom functioneren (minder afhankelijk van frequente 'updates' vanaf de aarde). Echter een duidelijk goedkoper alternatief, de zogeheten 'crosslink ranging', biedt vergelijkbare resultaten. Over deze toekomstige 'crosslink ranging', gebaseerd op de onderlinge-communicatie tussen de satellieten, later iets meer.  De definitie van de eenheid van tijd, de seconde, in het Système International-eenhedenstelsel luidt sedert oktober 1967: 'de seconde is de tijdsduur van 9.192.631.770 perioden van de straling overeenkomend met de overgang tussen de twee hyperfijnniveaus van de grondtoestand van het atoom cesium 133'. De atoomklokken aan boord van de satellieten zijn gecorrigeerd naar een lagere frequentie (cesiumklok 4,4.10-10) als gevolg van verminderde zwaartekracht (nog maar ongeveer zes procent) en de snelheid van de satelliet (iets meer dan 4000 meter per seconde). Als deze correctie niet zou hebben plaatsgevonden zou een kilometers grote navigatiefout het gevolg zijn. Tevens dient er rekening te worden gehouden met het gegeven dat tijdens de twaalf uur durende elliptische (eivormige) omtrekking van de aarde het verschil in 'tik'frequentie maximaal 46 nanoseconden bedraagt. De zogeheten 'perigee' (positie in omgang dichtst bij aarde) ligt namelijk ongeveer 530 kilometer dichter bij het centrum van onze aarde dan de 'apogee' (positie in omgang verst van de aarde).
In de allereerste GPS-satellieten ontstonden al na ongeveer vijf maanden klokproblemen. In de, tweede generatie, NAVSTAR-satellieten (Block-II) zijn vier verbazend accurate atoomklokken (twee cesium- en twee rubidium-atoomklokken) geïnstalleerd. Deze klokken zijn zo stabiel en nauwkeurig dat ze er iedere 160.000 jaar maximaal één seconde naast kunnen zitten. Om de nauwkeurigheid te garanderen wordt er minstens eenmaal per 24 uur nieuwe klok-correctie data naar de satellieten verstuurd. |
In de conceptfase van het NAVSTAR GPS stonden de atoomklokken trouwens nog stevig met hun functie op de grond. De best verkrijgbare atoomklokken waren zo groot als diepvrieskisten, stroomverslindend, en zeer onderhoudsgevoelig. De rubidium-atoomklokken zijn nu zo groot als een voertuigaccu en wegen ongeveer zeven kilo. De iets nauwkeuriger cesium-atoomklok is iets groter en weegt het dubbele.
